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進氣道：戰(zhàn)機“呼吸系統(tǒng)”演變史

■張小博  馬海航  朱鵬豪

當一架戰(zhàn)機以超音速的速度呼嘯而過時，或許很少有人會注意到機身上那些形狀各異的“大嘴”——進氣道。

正是這些看似簡單的開口，承載著人類超越速度的智慧。作為發(fā)動機的“呼吸系統(tǒng)”，進氣道肩負著在戰(zhàn)機高速飛行中捕獲空氣、馴服激波等重任，其性能優(yōu)劣直接決定戰(zhàn)斗機的速度極限、機動能力與隱身性能。

進氣道設(shè)計技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，不僅推動了航空技術(shù)的進步，也見證了人類對速度與效率的不懈追求。

本期，讓我們一起回顧戰(zhàn)斗機進氣道的演變史，看看它如何從一個普通的空氣通道，一步步演變?yōu)槿缃裰悄芨咝У摹昂粑到y(tǒng)”。

   F-35戰(zhàn)機（上）和F-22戰(zhàn)機（下）進氣道的設(shè)計不同。供圖：陽明

亞音速時期的經(jīng)典布局

戰(zhàn)機進氣道的誕生，離不開第一架噴氣式飛機的問世。

從飛機誕生之日起，提高飛行速度、飛行高度和載重量就一直是人們研制新飛機所追逐的目標。然而，到了20世紀30年代，飛機的速度一直徘徊在每小時700千米左右，這差不多是裝有活塞式發(fā)動機和螺旋槳的飛機的極限。用蘇聯(lián)著名飛機設(shè)計師雅科夫列夫的話說，飛機速度的突破已經(jīng)到了“山窮水盡”的地步。

噴氣時代的到來，使飛機的發(fā)展“柳暗花明”。噴氣時代的標志，便是用渦輪噴氣式發(fā)動機作為新型動力裝置。

渦輪噴氣式發(fā)動機的原理為：空氣從飛機進氣道進入發(fā)動機，先經(jīng)壓氣機壓縮后進入燃燒室與燃料混合燃燒；膨脹的燃氣進入渦輪并推動其旋轉(zhuǎn)，使與渦輪同軸的壓氣機正常工作；從渦輪流出的燃氣經(jīng)尾噴管膨脹后向后高速噴出，從而產(chǎn)生巨大的反作用力推動飛機前進。

1939年，世界上第一架噴氣式飛機——HE-178首飛成功。隨著越來越多的噴氣式飛機翱翔藍天，科研人員不得不面對一個全新的挑戰(zhàn)：飛行的速度越來越快、飛行高度越來越高，如何保證飛機不受飛行環(huán)境的影響，仍能自由順暢地工作？

在這樣的背景下，進氣道的作用凸顯出來。

戰(zhàn)斗機發(fā)動機如同一個高速運轉(zhuǎn)的熔爐，需要持續(xù)、穩(wěn)定且足量的空氣作為原料。打個比方，這就像運動員在高原跑步，盡管體能訓(xùn)練得很好，但是氧氣不足，還是會在跑步時感覺力不從心。

而進氣道，正是為發(fā)動機運輸這些空氣原料的通道。

作為連接飛機外部氣動環(huán)境與發(fā)動機內(nèi)部燃燒過程的關(guān)鍵橋梁，進氣道的設(shè)計是空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料科學(xué)等的綜合體現(xiàn)。

一方面，在戰(zhàn)機起飛、爬升等狀態(tài)下，進氣道盡可能平穩(wěn)地將大量空氣運輸至發(fā)動機燃燒室，發(fā)動機燃燒燃料時需要大量氧氣，這些氧氣就來自進氣道吸入的空氣；另一方面，進氣道能在戰(zhàn)斗機不同的飛行狀態(tài)下，提供發(fā)動機所需要的精確空氣流量，保證噴氣式發(fā)動機中壓氣機部件能夠穩(wěn)定工作。如果空氣流量不足，這會導(dǎo)致發(fā)動機推力下降甚至熄火，而流量過大則可能造成阻力增加或發(fā)動機喘振。

在亞音速時代，戰(zhàn)斗機進氣道總體呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕便、制造簡單的特點：為了減小阻力，進氣道內(nèi)部的設(shè)計盡量保持平直，減少彎折，最大程度減小氣流摩擦和分離帶來的能量損失。

進氣道入口邊緣設(shè)計得圓潤厚實，圓鈍的邊緣能平穩(wěn)地引導(dǎo)氣流，避免在戰(zhàn)機起飛等大功率狀態(tài)下，氣流在入口處發(fā)生分離，發(fā)動機“喘不上氣”……

一般而言，亞音速進氣道主要有兩種經(jīng)典布局——

機頭式進氣道。這是亞音速時代最為普遍的一種進氣道設(shè)計方式。進氣道位于戰(zhàn)斗機最前端，正對氣流方向，運輸空氣的路徑短，效率高。在所有飛行姿態(tài)下，發(fā)動機都能獲得持續(xù)均勻的空氣供應(yīng)。

在采用該布局的戰(zhàn)機中，其中較為著名的代表機型是蘇聯(lián)的第一架噴氣式戰(zhàn)機米格-9。

該戰(zhàn)機將進氣道布設(shè)在飛機頭部，能夠獲得平順充足穩(wěn)定的氣流，保證發(fā)動機的進氣效率，避免其喘振停車，使發(fā)動機發(fā)揮出最好的性能。

不過，這一布局方式使飛機無法在機鼻安裝大型雷達。此外，如果遇到特殊情況飛機極端抬頭，氣流可能無法順暢地進入進氣道。

機身兩側(cè)進氣道。隨著發(fā)動機推力不斷增大，進氣道的長度不再是主要考慮因素，進氣道逐漸從機頭位置向后移動。

機身兩側(cè)進氣道通常位于駕駛室后方，位于機身中部或者前機身兩側(cè)。

此時發(fā)動機多采用后置方案安裝在機身尾部，座艙也可以前移至機頭，使得整個戰(zhàn)機的氣動外形更加流線化，提升了戰(zhàn)斗機的機動性。例如采用了該種進氣道的米格-15戰(zhàn)斗機，憑借優(yōu)異的機動性在抗美援朝戰(zhàn)場上大放異彩，開辟出享譽戰(zhàn)史的“米格走廊”。

亞音速時代的進氣道以簡潔、高效、可靠的特點，服務(wù)于噴氣式戰(zhàn)斗機的“童年期”。然而，當飛行員們渴望突破音障，追求更高速度時，簡單的亞音速進氣道變得力不從心：當戰(zhàn)機接近或超過音速時，進氣道前方會產(chǎn)生強烈的正激波。

挑戰(zhàn)催生變化。在這一背景下，性能更為多樣的超音速時期的進氣道應(yīng)運而生。

超音速時期的簡約設(shè)計

到了20世紀五六十年代，超音速戰(zhàn)機逐步成為空戰(zhàn)場上的主角。

為了滿足不同飛行速度下發(fā)動機的進氣流量需求，超音速時期的戰(zhàn)機進氣道設(shè)計也隨之做出了改變：進氣道增加了相應(yīng)的空氣流量調(diào)節(jié)裝置。

這一調(diào)節(jié)裝置，可以類比為人們通過調(diào)節(jié)呼吸，以滿足身體氧氣需求的過程。

按照調(diào)節(jié)裝置形狀的不同，超音速戰(zhàn)機最早裝備的進氣道，一般可以分為兩種——

錐體調(diào)節(jié)式進氣道。這種進氣道的中心有一個尖錐，在調(diào)節(jié)裝置的驅(qū)動下可以前后移動，改變進氣道與尖錐之間的進氣面積，進而改變進氣道的進氣量。

采用這種進氣道的典型代表是美國的SR-71“黑鳥”偵察機。憑借飛行速度達到3馬赫、飛行高度達到30000米，該偵察機成為冷戰(zhàn)時期美國執(zhí)行偵察任務(wù)的利器。

斜板調(diào)節(jié)式進氣道。這種進氣道布局了一片或多片傾斜的矩形板，工作原理與錐體調(diào)節(jié)式類似，通過斜板的上下移動來改變進氣道的進氣量。

采用這種進氣道的典型代表是俄羅斯的蘇-27“側(cè)衛(wèi)”戰(zhàn)斗機。該戰(zhàn)機憑借優(yōu)異的氣動性能、近戰(zhàn)格斗性能，成為俄羅斯戰(zhàn)機設(shè)計史上一顆耀眼的明星。

與亞音速時期的進氣道相比，超音速時期的這些調(diào)節(jié)式進氣道，解決了戰(zhàn)機在超音速飛行時氣流速度不穩(wěn)定和壓力過大等問題，但與之相應(yīng)，調(diào)節(jié)裝置也帶來了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量較大、故障率高等新的問題，增加了戰(zhàn)機維護保障的工作量。

后來，得益于計算流體力學(xué)（CFD）和試驗技術(shù)發(fā)展，研究人員設(shè)計出了既滿足超音速飛行時的氣流要求，又不需要調(diào)節(jié)裝置的進氣系統(tǒng)——這就是目前最先進的第三代進氣道。

一般而言，第三代進氣道主要包括后掠雙斜面（CARET）超音速進氣道和無附面層隔道（DSI）超音速進氣道。

應(yīng)用雙斜面超音速進氣道的代表戰(zhàn)機，是世界上第一款五代機——美國F-22戰(zhàn)機。該進氣道利用相關(guān)技術(shù)設(shè)計出2個三維斜面，沿著進氣道的分布合理分配氣流速度，進而使超音速氣流以較小的損失減速至亞音速氣流。

應(yīng)用無附面層隔道超音速進氣道的代表機型，則是美國的另一款五代機——F-35戰(zhàn)機。在設(shè)計時，該進氣道進口處設(shè)有一個“鼓包”，這個“鼓包”既可以將超音速氣流以較小的損失降為亞音速氣流，還可以將低速的空氣“推離”進氣口，保證后方發(fā)動機高效工作。

值得注意的是，這兩種進氣道雖然設(shè)計結(jié)構(gòu)不同，但均具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、工作穩(wěn)定可靠、迎風(fēng)阻力小、隱身效果好、維護費用低等特點，成為當前戰(zhàn)機進氣道發(fā)展的主流方向。

更智能高效的發(fā)展方向

戰(zhàn)機進氣道不僅僅是一個簡單的空氣“入口”，更是飛機推進系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、安全工作的核心關(guān)鍵子系統(tǒng)之一。

隨著航空技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，寬速域、廣空域、高智能、強隱身戰(zhàn)機或?qū)㈥懤m(xù)邁上航空舞臺。作為飛機的“呼吸系統(tǒng)”，進氣道的未來發(fā)展也必將與之契合，向著更加智能高效的方向不斷前行。

一是高超音速進氣道。

在航空領(lǐng)域，高超音速飛行一般指速度超過5倍音速的飛行。高超音速飛行條件下，進氣道需要通過復(fù)雜的氣動設(shè)計來實現(xiàn)超高速氣流的低損失減速，同時，進氣道的材料和結(jié)構(gòu)還需具備承受高溫高壓的能力。

例如，美國X-43A無人飛行器在試飛中創(chuàng)造了9.7馬赫的飛行速度，這一次試飛，為飛行器開展寬速域發(fā)動機應(yīng)用和未來更高馬赫數(shù)下進氣道的技術(shù)探索，都提供了啟示。

二是高智能化進氣道。

隨著人工智能等技術(shù)的發(fā)展，未來的進氣道也有望變得更智能。當傳感器實時監(jiān)測到進氣口的氣流狀態(tài)和發(fā)動機的工作狀態(tài)，利用人工智能與控制技術(shù)，系統(tǒng)可以同步開展智能化進氣道設(shè)計，實時、精確、智能地調(diào)整進氣道的幾何形狀，自動優(yōu)化氣流分布，以更好地滿足寬速域、廣空域下進氣道與發(fā)動機的“相容性”，幫助發(fā)動機更高效地運轉(zhuǎn)。

三是高隱身化進氣道。

在未來戰(zhàn)場上，戰(zhàn)機進氣道的隱身性能同樣重要。隨著雷達隱身技術(shù)成為現(xiàn)代戰(zhàn)機的關(guān)鍵需求，進氣道設(shè)計成為降低雷達反射截面積的重點。

據(jù)悉，通過持續(xù)優(yōu)化進氣道空氣動力學(xué)特性，引入等離子體等先進隱身技術(shù)最新研究成果，研究低散射率的新型材料和結(jié)構(gòu)，未來或能在實現(xiàn)輕量化設(shè)計的同時不斷提升進氣道的隱身能力，拓展戰(zhàn)機的戰(zhàn)場生存力。例如，近期受關(guān)注的美國六代機F-47，或以其先進的進氣道隱身設(shè)計，推動整個戰(zhàn)機隱身性能的提升。

從亞音速進氣道到超音速進氣道，再到未來滿足各種極限要求的智能化進氣道，戰(zhàn)斗機進氣道正朝著更高性能、更隱身化、更輕量化等方向發(fā)展，以滿足未來先進航空飛行器和空天飛行器的需求。